蘭州大學研究團隊獨立提出並實現沙塵暴電結構反演重構,為揭開沙塵暴內部結構神祕面紗提供有效先導性途徑

日期: 2020-10-13 閲讀: 來源: 關鍵詞:

風沙運動是人類社會共同面臨的一項重大自然災害,而沙塵暴是其最為嚴重的災害現象,其主要特徵為在小時量級的時間尺度內高濃度的沙塵物質輸運所導致的環境破壞力度大、影響範圍廣。為了認知沙塵暴的發生發展過程並給出沙塵暴物質輸運的有效評估,大量研究人員投入到了對沙塵暴的觀測研究中,以期瞭解沙塵暴的內部結構特徵。然而,在能見度不足百米的強沙塵暴情形下,目前所有的觀測手段均不能穿透沙塵暴的厚度,進而嚴重製約着對沙塵暴內部結構的有效認知。由於沙塵暴中的大量沙塵與大氣湍流的相互作用,其力學過程的理論描述一直缺乏。這正如《Annu. Rev. Fluid Mech.》2010年的論文中所指出“湍流和多相流是流體力學中最具挑戰性的兩個問題……當兩者聯合起來則成為更加難以對付的挑戰。湍流的存在使流相本身具有隨機的本質,而擴散相的隨機分佈使這種隨機性更加複雜。由於擴散相的存在,湍流多相流的實驗和數值模擬都要比單相流來的複雜得多。”

沙粒帶電及其產生的電場是伴隨風沙運動的一種自然現象,在沙塵暴中更甚。事實上,風沙運動的顆粒帶電現象廣泛存在於工業生產和自然界中(包括外太空),其對顆粒的起動、團聚行為和輸運過程以及無線通訊等均產生嚴重影響。沙塵暴作為一種極高雷諾數和分散體系的氣-沙兩相流,其產生的電場強度可達30-100 kV/m。雖然早在1913年劍橋大學聖約翰學院著名學者W. A. Douglas Rudge就在《Nature》期刊上報道了沙塵暴中電場的存在,但是研究人員一直沒有好的手段去有效獲取沙塵暴內部的沙塵帶電及其電場的大空間精細結構。由於沙塵暴內一點處觀測到的電場強度是由其周圍全部帶電體所產生,蘭州大學土木工程與力學學院張歡副教授、周又和教授研究團隊從電場強度隨電荷密度變化的庫倫定律出發,基於蘭州大學力學學科在甘肅民勤的乾涸青土湖建立的沙塵暴野外觀測陣列所觀測的多物理場(風場、電場、粉塵濃度、環境温濕度)的三維實時同步觀測數據,提出了一種優化反演重構沙塵暴三維電結構分佈特徵的理論框架和數值方法。在對該反演重構方法的魯棒性、穩定性和可靠性進行數值檢驗和實驗驗證後,由安裝在觀測站陣列不同空間位置的19個電場強度分量探頭所觀測到的時序結果,在對包圍觀察站的3場強沙塵暴在流向2000米、展向1000米、離地高300米的全厚度空域分割成960萬個單元后,由這一反演重構方法成功地實現了電荷密度與電場強度的三維分佈結構的定量再現,揭示出正、負電荷密度相間的馬賽克分佈特徵(如見圖1)為沙塵暴內的湍流導致沙塵分層所致,由此得到了三維電場強度的非均勻分佈特徵等(如見圖2),進而為未來沙塵暴內部的物質輸運及其湍流結構特徵的有效揭示提供了新的開端。

沙塵暴中電荷密度的3D結構

沙塵暴中電場的3D結構

近日,該研究結果以“Reconstructing the electrical structure of dust storms from locally observed electric field data”為題在Nature Communications上發表。蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室為論文第一完成單位。張歡副教授為論文第一作者,周又和教授為論文通訊作者。該研究由蘭州大學研究團隊獨立提出並實現了沙塵暴電結構反演重構,為揭開沙塵暴內部結構的神祕面紗提供了有效的先導性途徑。該研究得到了國家自然科學基金、中國科協第三屆青年人才託舉工程和中央高校基本科研業務費等項目的資助。

該論文研究起源於通訊作者周又和教授的早期提議。第一作者張歡在鄭曉靜院士指導下於2016年12月獲博士學位,2017年入選中國科協“青年託舉人才計劃”。在中國力學學會常務理事會上,理事長楊衞院士提議周又和教授作為其合作導師。在周又和教授的建議與具體指導下,張歡將這一極具挑戰性的研究課題列入其託舉計劃的研究內容。經過2年多的不懈努力,於2019年底取得突破性成果並撰寫論文,於2020年2月投送到《Nature Communications》後很快就收到了肯定性的評審意見,如“The paper is related to the mutual effect of dust dynamics on particle charging that is a topic of interest for a wide community with applications in several fields of investigation”、“The paper presents model results aiming to elucidate the complex electrical structure of dust storms. This is an important contribution that presents a significant progress in the field”、“The paper is very lucid, clear and well organized”、“This is absolutely a novel and highly interesting result”等。

通訊作者簡介:

周又和,蘭州大學土木工程與力學學院教授,國家傑出青年基金獲得者,教育部長江學者特聘教授,國家級教學名師獎獲得者,國家自然科學基金委創新研究羣體負責人,主導蘭州大學力學固體力學入選國家重點學科、獲批力學博士後科研流動站與力學一級學科博士點並任負責人。主要從事研究領域:(1)板殼非線性力學;(2)電磁固體力學和智能結構控制;(3)風沙環境力學;(4)多場耦合非線性力學及高性能計算等。已發表學術論文400餘篇(其中SCI收錄300餘篇),獲國家科學技術學術著作基金資助由科學出版社出版《電磁固體結構力學》學術專著,獨立編著《理論力學》教材由高等教育出版社出版,以唯一作者的英文專著《Wavelet Numerical Method and Its Applications for Nonlinear Problems》已被Springer-Nature著名出版社接受出版,按合同將於2020年10月底交稿。完成的科研項目獲國家自然科學獎二等獎2項(分別排名第一、第二)、國家科技進步獎二等獎1項(排名第七)、教育部自然科學獎一等獎2項和技術發明獎一等獎1項(均排名第一)、甘肅省科技進步獎一等獎1項和二等獎3項,發表在國際期刊的2篇論文獲IEEE超導委員會“Van Duzer Prize”,1篇超導斷裂力學研究論文被《JAP》列為featured封面論文。個人還獲寶鋼教育基金會高校優秀教師特等獎、中國科協西部開發突出貢獻獎、中國教科文衞體工會全國師德標兵和全國優秀教師等。主講的《理論力學》入選國家精品課程,主持的力學本科教學團隊入選國家質量工程項目,主持的1項教學項目獲國家教學成果獎二等獎;指導的2篇博士論文分別獲全國優秀博士論文和提名、另1篇博士論文獲首屆中國力學優秀博士論文;培養出2人入選教育部長江學者特聘教授、1人入選其青年長江學者特聘教授;1人獲國家自然科學基金傑出青年科學基金、1人獲其優秀青年科學基金;1人入選中組部“萬人計劃青年拔尖人才”等。

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文:張歡
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編輯:肖超元
責任編輯:許文豔

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